Etude des propriétés optiques, électriques et structurales de nanoparticules de silicium insérées dans une matrice diélectrique et étude de leur intégration pour des cellules photovoltaïques à haut rendement

= Optical, electrical and structural properties of silicon nanoparticles embedded in a dielectrical matrix for highly efficient solar cells application

• Auteur / Autrice : Béchir Rezgui
• Direction : Georges Brémond, Daniel Bellet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effet photovoltaïque

Photoconductivité

Nanostructures

Nanotechnologie

Électrotechnique

Résumé

Outre les applications photoniques et nanoélectroniques, les structures formées de nanoparticules de silicium insérées dans une matrice diélectrique pourraient jouer un rôle important dans le développement de concepts innovants de cellules photovoltaïques dits de 3ème génération, permettant d’atteindre des rendements de conversion largement supérieurs à celui des cellules actuelles (31 %). Néanmoins, les propriétés optoélectroniques de ces nanostructures doivent être maîtrisées de manière à obtenir un matériau de bonne qualité pour les applications photovoltaïques. Le présent travail s’inscrit dans le cadre de l’étude des propriétés optiques, électriques et structurales de nanoparticules de silicium (Np-Si) immergées dans une matrice d’oxyde ou de nitrure de silicium sous forme de couches minces obtenues par différentes techniques de dépôt. Dans un premier temps, les conditions de formation de ces nanostructures dans des couches de nitrure enrichies en silicium déposées par PECVD sont étudiées afin de trouver les conditions de dépôt optimales permettant d’avoir une forte densité de nanoparticules ainsi qu’une taille contrôlée. L’étude de l’influence d’un traitement thermique sur les caractéristiques des Np-Si sera présentée. Afin de contrôler la taille de Np-Si, des structures en multicouches élaborées en utilisant différents procédures de dépôt sont analysées. Les résultats de photoluminescence obtenus sur les multicouches SiO2/SiOx/SiO2 déposées par pulvérisation magnétron permettent de valider les performances de telles structures. Des structures similaires préparées par PECVD en alternant une couche de nitrure stoechiométrique et une couche de nitrure riche en silicium sont aussi étudiées. L’accent est mis particulièrement sur l’analyse des propriétés d’absorption et de transport de charges dans ces nanostructures afin de tester leur efficacité "photovoltaïque" et évaluer la possibilité de réaliser des cellules multijonctions à base de ces nanomatériaux. La dépendance du coefficient d’absorption et du courant photogénéré en fonction de la taille et la densité des Np-Si est ainsi présentée. Une partie de ce travail est dédiée à l’étude de l’effet de dopage sur les propriétés optiques des couches nanocomposites.

Silicon nanoparticles (Si-Np) embedded in dielectric matrix have received attention as promising materials for optoelectronic applications. More specifically, bandgap engineering of new materials based on Si-Np has been proposed for possible application in an "all-silicon" tandem solar cell within the field of "third generation" photovoltaics. Such an application would require nanoparticles to exhibit quantum confinement whereby the optical and electrical properties of a film could be tuned by controlling the size of these nanostructures. This thesis investigates the structural, optical and electrical properties of Si-Np grown in-situ or via solid phase crystallisation in different host matrices. A study of the relevant plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) parameters for the formation of Si-Np in amorphous silicon nitride was carried out and the optimization of each deposition parameters, for obtaining best material quality, is presented. Structural techniques, including Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, transmission electron microscopy and X-ray reflectivity were employed to gather structural information about the Si-Np-SiNx structures. A case study on the effect of annealing temperature on the size and density of Si-Np is demonstrated. Size dependent photoluminescence and absorption is presented for SiO2/SiOx/SiO2 multilayer structures embedded with Si-Np. A similar multilayers based on silicon nitride material, grown by PECVD, are also investigated. Photogenerated current of these structures, extracted from the photocurrent measurements is investigated in the present work in order to expand the understanding of engineering electrical injection in laterally active paths. In addition, the effect of boron doping of gas-phase silicon nanoparticles on the light emission and structural properties is studied. These observations may be important for future photovoltaic applications